Er schlug 1951 für das Ferrocen eine »Sandwichstruktur« vor und entwickelte daraus Konzept der Sandwichverbindungen und erhielt hierfür 1973 mit Ernst Otto Fischer den Nobelpreis für Chemie. Bei den Sandwichverbindungen handelt sich um Verbindungen von Metallen mit Aromaten bei denen das Metallatom sandwichartig von ringförmigen Aromaten eingeschlossen ist.
Seit 1976 trägt Geoffrey Wilkinson den englischen Adelstitel